基准电压源电路的设计与研究

山西工程技术学院 崔建国 宁永香

基准电压源的应用及其广泛，不同的电路系统应用不同的基准稳压源电路设计，对常见的几种基准稳压源如电阻分压式、正向二极管导通压降式、齐纳二极管稳压式、UBE倍增电路构成式、带隙基准源构成式，通过对这些基准源的比较，指出虽然带隙基准源是最佳基准源设计，但针对不同的电路应用，应该选用最合适的基准源设计，求得最佳的性价比。

1 引言

基准电压源电路是模拟电路包括分立元件电路和集成电路极为重要的组成部分，它为串联型线性稳压电路、模/数和数/模转化器提供基准电压，也是大多数传感器电路的供电电源或激励源。另外，基准电压源也可作为标准电池电路、仪器表头电路的刻度标准和精密电流源应用。

基准电压源几乎存在于所有的电子产品设计中，它们可能被独立设计，用来对别的电路提供基准，也可能集成在比较复杂的集成电路中。比如要设计一个报警器电路中，可以利用运算放大器处于开环工作模式的比较器电路、或运放加以正反馈网络构成滞回比较器电路，将传感器输出的信号与一个稳定的基准电压源进行比较，比较器电路输出一个“二值信号”，以触发振荡电路工作，推动喇叭发声实现报警。

基准电压源的建立根据不同的电路结构环境有不一样的设计思路或方法，比如最简单的电阻分压方式、齐纳二极管方式等。实际上，任何电路设计的重点或难点，不但要考虑设计成本，还要考虑产品的外观尺寸，以及电路参数的准确度、电路耗散功率等诸多因数，为某一具体电路提供基准电压源时，要考虑所有相关因数，这样设计出来的基准源才是性价比最优的方案。（田金鹏,秦少宏,李儒章,臧剑栋,彭毅德.一种带高阶补偿的低温漂基准电压源[J].微电子学,2018,48(02):162-166）

实际设计时，有时使用看似比较昂贵的电气元件，最后完成的产品其综合成本反而更低，原因就在于前期较高的设计成本，使后期的电路补偿和校准所需要的花销大为减小。所以基准电压源的设计方法众多，将常见的几种基准电压实现方法做个简单介绍和对比，指出其优点以及缺点，以供不同的电路系统选用。

2 基准电压源的类型

在实际电路设计过程中，两种常见的基准电压源是齐纳基准电压源和带隙基准电压源。齐纳基准电压源通常采用两端并联拓扑；带隙基准电压源通常采用三端串连拓扑，当然还有其它的基准电压源类型，下面分别描述。

2.1 电阻分压式基准电压源

利用电阻分压实现的基准电压源只能作为放大器电路的偏置电压或为放大器提供工作电流，主要原因是由于电阻分压式基准电压源自身没有稳压作用，所以这种电阻分压式基准电压源的输出电压的稳定性完全由整机电源电压的稳定性来决定。

2.2 普通正向二极管构成基准电压源

普通二极管，无论是普通硅整流二极管比如IN1000系列，还是用于开关电源整流的快恢复二极管比如IN58000系列，或肖特基二极管比如MBR20100CT,都可以将若干个二极管正向串联构成所需的基准电压源。

基本原理是利用二极管的正常导通压降是一个确定值，比如普通IN1000系列正常导通压降0.7V左右；快恢复二极管正常导通压降0.6V左右；肖特基二极管正常导通压降0.4V左右。故基准电压源的构成如图1所示，其中Vref就是基准电压输出（佘玉成,张春熹,李慧鹏.高精密电压源设计与实现方法[J].压电与声光,2017,39(06):878-881）。

图1 普通正向二极管构成基准电压源原理图

这种基准电压源由于是将二极管依次串联，是一种不依赖于电源电压稳定程度的恒定基准电压源，但由于二极管对温度比较敏感、导致这种基准源的稳定性并不高，且温度系数是负的，约为-2mV/℃。

2.3 齐纳二极管以及温度补偿性齐纳二极管构成基准稳压电源

这种以普通稳压二极管反向应用构成的基准稳压电压源可克服以正向二极管串接作为基准电压源的一些缺点，但其温度系数是正的，约为+2mV/℃。

由温度补偿性稳压二极管构成的基准稳压电源优点很多，比如具有体积较小、重量较轻、结构非常简单、方便集成的优点；但这种基准源电压噪声大，负载能力弱，输出稳定性差，还有基准电压较高、可调节性较差等的缺点。采用这种设计的基准电压源不适合用于便携式和电池供电的环境。这种基准电压源的电气原理图如图2所示。

图2 齐纳二极管构成基准稳压电源原理图

图2所示电路只要参数选择合适，电阻R上的电压增量就可以与VCC的电压增量近似相等，从而使基准电压Vref基本不变，上述过程可简单描述如下：

2.4 利用UBE倍增电路得到UBE任意倍数的基准电压

图3 利用UBE倍增电路得到UBE任意倍数的基准电压

UBE倍增电路如图3所示，图3中晶体管T这时可以看作一个稳压二极管，实际上相当于一个可以调节的稳压管（杨金亮,李天生.低功耗基准电压源的设计与实现[J].温州职业技术学院学报,2017,17(02):38-41+55）。

在这个电路中，若I2＞＞IB,则I1=I2，那么稳压电压Vref由电位器P的大小来决定。实际上晶体管T集电极和发射级之间的电压VCE即Vref是由电阻R2和电位器P的比值决定的。由图可知，R2两端的电压降总是等于晶体管T的基极——发射级之间的电压VBE（0.6V）。所以，齐纳管（这时T相当于一个齐纳二极管）的电压Vref应等于：

合理选择电阻R2和电位器P，可以得到任意倍数的直流电压，故称为UBE倍增电路，同时也可以得到PN结任意倍数的温度系数，故可以用于温度补偿。

2.5 利用带隙基准源构成基准电压源

应用半导体集成电路技术制成的基准电压源种类较多，常见的有深埋层稳压管集成基准电压源以及双极型晶体管集成带隙基准电压源，还有CMOS集成带隙基准电压源等。“带隙基准源”是上世纪七十年代初出现的一种新型电子器件，它的问世使基准电子器件的指标得到了新的飞跃（杨虹,鲁正.一种低温漂带隙基准电压源设计[J].电子制作,2016(04):16）。

由于带隙基准源电路具有高精度、低噪声的优点，因而广泛应用于电压调整器电路、数据转换器(A/D,D/A)电路、集成传感器电路、放大器电路等设计中，以及单独作为精密的电压基准元器件，低温漂等许多微功耗运算放大器电路。图4所示是一款传统带运算的放大器的带隙基准电路，运放AMP单电源供电。

图4 利用带隙基准源构成基准电压源

3 结语

通过对当前常用的几种基准稳压电源的工作原理作简单的介绍，指出各自特有的优点以及缺点和不足的地方，并且通过对比指出利用带隙基准源构成基准电压源是目前精度最高、噪声最低、温漂最低的一种基准稳压电源，但其成本也是最高，故在实际应用中，根据实际情况，选择最合适的稳压源设计来借鉴，以取得最高的性价比。